武汉市环城林带森林碳储量及其动态变化

陈科屹, 刘润华, 张 博, 何友均, 谢和生

(1.中国林业科学研究院 林业科技信息研究所, 北京 100091; 2.武汉市林业调查规划设计院有限公司,武汉 430000; 3.北京林业大学 森林资源和环境管理国家林业局重点实验室, 北京 100083)

气候变化早已成为备受世界关注的热点问题，森林在应对全球气候变化过程中所发挥的不可替代的作用早已得到了社会各界的广泛认同[1]。城市是温室气体排放的重要来源地之一，因此城市也自然成为了应对气候变化的主要场所之一[2]。环城林带是城市生态系统的重要组成部分，它对于改善城市生态状况、提升人居环境以及美化景观效果皆起着非常重要的作用，尤其是在维持城市生态系统的碳平衡方面具有重大的现实意义[3]。及时并准确地测算环城林带的森林碳储量，可以了解林分水平的固碳能力、收集碳收支相关参数，客观反映环城林带的森林结构和功能现状，进而为城市及郊区森林资源的可持续经营管理提供重要的理论依据。

我国有关环城林带的研究起于20世纪80年代[4]，目前主要涉及环城林带的规划与设计[5]、森林资源调查与分析[6-7]、生态服务功能评价等[8-9]方面，且多以单一时间节点作为研究背景，然而针对环城林带碳储量的估测及其动态变化规律方面的研究则鲜见报道。武汉市环城林带是武汉市的重点工程项目，从开工至今已有近20 a的经营过程，目前已成为武汉市城区外围重要的绿色生态屏障，其森林生长状况备受社会各界关注。为此，本研究以武汉市环城林带为研究对象，基于2008年和2018年两期森林资源两类调查数据，参照近似立地环境和相同气候区域的实测数据和材积源生物量转换模型，探究武汉市环城林带的碳储量、碳密度、空间分异以及近10 a来的动态变化情况，以期为促进城市森林固碳增汇，提升城市森林多功能经营、精准化经营水平提供理论依据和数据支撑。

1 研究区概况

武汉市环城林带全长188 km、宽度200 m，位于武汉市外环高速公路两侧，介于东径114°1′—114°35′，北纬30°18′—30°53′，林带沿线跨越蔡甸区、东西湖区、江夏区、新洲区、黄陂区和东湖高新区。环城林带地处北亚热带湿润季风性气候区，降水量分配不均，春夏多雨，秋冬多旱。沿线地形地貌涵盖平原、丘陵、岗地，但总体坡度较小，其穿越长江、汉水、武湖、后湖等水系湖泊。沿线土地多农田和旱地，土壤类型主要包括水稻土、潮土、红壤、黄红壤，部分丘陵地区为黄棕壤，局部有黄红壤。主要树种包括香樟(Cinnamomumcamphora)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、池杉(Taxodiumascenden)、栾树(Koelreuteriapaniculata)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、柏木(Cupressusfunebris)、枫香(Liquidambarformosana)、女贞(Ligustrumlucidum)、马尾松(Pinusmassoniana)等20多个树种。

2 材料与方法

2.1 数据来源与预处理

采用武汉市环城林带2008年和2018年两期森林资源二类调查数据资料，调查数据以小班作为基本单元，调查内容涵盖地类、面积、植被类型、优势树种(组)、起源、龄级、蓄积等。考虑到森林碳储量估算的基本要求和方法，并结合武汉市环城林带森林资源2类调查数据资料的内容，将沿线植被划分为15组群落类型，分别是樟树、软阔、硬阔、柏树、水杉、柳杉、杉木、马尾松、其他针叶类、阔叶混交林、针叶混交林、针阔混交林、疏林、灌木林、苗圃和竹类(表1)。龄组则按照《国家森林资源连续清查技术规定》(2014)的技术标准进行划分(表2)。

2.2 研究方法

目前，森林碳储量的估算方法包括样地清查、遥感估测和模型模拟等诸多方法[10-11]，其中材积源生物量法(volume-derived biomass)在估算林分生物量方面具有良好的效果，是目前研究森林碳储量的重要方法之一[12-13]。基于森林资源两类调查数据的特点，本研究采用生物量转换连续函数法计算武汉市环城林带乔木林的生物量，其数学表达式如下：

Btotal=B·Atotal=(a·V+b)·Atotal

(1)

式中：B为某一树种(组)的单位面积生物量；V为某一树种(组)的单位面积蓄积量；Atotal为某一树种(组)的总面积；Btotal为某一树种(组)的总生物量；a，b为参数。根据树种(组)的类别,从方精云等[14-15]、曾伟生[16]、黄从德[17]已建立的不同森林类型森林蓄积量表示生物量的转换参数中筛选适合本研究的参考数值,对于缺失对应模型的树种(组),参照近似优势树种(组)参数作为替代(表3)。

由于灌木林、苗圃、竹林与乔木林的特征存在较大差异，因此采用区别于乔木林的生物量估算方法。其中，灌木林、苗圃的生物量采用平均生物量法，参照刘国华等[18]的方法按19.76 t/hm2进行估算，对于植被盖度不足50%的按9.88 t/hm2进行估算。竹林的生物量参考《全国林业碳汇计量监测技术指南(试行)》(2011)发布的参数按10.44 kg/株进行估算，对于竹林平均高不足5 m的按5.22 kg/株进行估算。

表1 武汉市环城林带主要群落类型

表2 武汉市环城林带主要树种龄组划分

表3 武汉市环城林带各树种(组)生物量方程回归参数及含碳系数

基于上述林分生物量的计算结果，根据对应的含碳系数计算林分碳储量，表达式如下：

Ctotal=Btotal·Cc

(2)

式中：Ctotal为某一树种(组)的总碳储量；Cc某一树种(组)的含碳系数。武汉市环城林带各类乔木树种的含碳系数参照李海奎等[19]的研究结果,而竹林、疏林、灌木林、苗圃林则统一采用常数0.5作为含碳系数。另外,需特别指出的是,本文所研究的环城林带森林碳储量是指林分中活立木的碳储量,不包含下木层、草本层、枯木层、土壤层的碳储量。碳密度即为单位面积的碳储量。

年变化率是反映动态变化的重要指标，基于森林碳储量和森林碳密度的测算结果，计算两者的年变化率，计算公式如下：

(3)

式中：Cr为森林碳储量或碳密度年变化率；Ct1，Ct2分别为在t1，t2时的森林碳储量或碳密度。

3 结果与分析

3.1 碳储量总体概况及其动态

由表4可知，截至2018年，武汉市环城林带森林总碳储量为119 789.961 3 t，是2008年64 692.413 3 t的1.85倍，10 a间净增汇55 097.548 0 t，年均增长率为6.35%。2018年，环城林带森林碳密度为47.243 4 t/hm2，是2008年27.389 7 t/hm2的1.72倍，10 a间每hm2单位面积净增汇19.853 7 t，年均增长率为5.60%。根据湖北碳排放权交易中心发布的数据显示，2018年湖北省碳排放交易平均价格为每吨CO222.47元。参照此标准概算可知，2018年武汉市环城林带森林共计固定439 629.862 0 t CO2，总碳储量理论价值约为987.85万元。

3.2 碳储量空间分布及其动态

从武汉市环城林带森林碳储量的空间分布来看(表5)，2008年森林碳储量最多和最少的区域分别是江夏区(25 830.036 2 t)和东湖高新区(4 015.255 0 t)，最高者与最低者的碳储量相差6.43倍。其余4个区域的碳储量位列其间，具体排序为：东西湖区>黄陂区>蔡甸区>新洲区。相比之下，2018年森林碳储量最多的区域仍然是江夏区(27 392.526 2 t)，但是其碳储量占比已从2008年的39.93%下降到2018年的22.87%；森林碳储量最少的区域转变为新洲区(12 022.250 4 t)，但是其碳储量占比则有所增加。其余4个区域的森林碳储量排序为：东湖高新区>黄陂区>蔡甸区>东西湖区。

表4 武汉市环城林带森林总碳储量和平均碳密度

表5 武汉市环城林带不同区域森林碳储量和碳密度

在森林碳密度方面，2008年森林碳密度最大和最小的区域分别是东西湖区(32.026 2 t/hm2)和新洲区(23.117 2 t/hm2)，两者相差1.39倍。其余各个区域森林碳密度排序为：东湖高新区>蔡甸区>江夏区>新洲区。然而到2018年，碳密度最大和最小的区域已分别转变为蔡甸区(49.285 9 t/hm2)和黄陂区(43.255 9 t/hm2)，两者相差1.14倍，经过10 a的生长演替，最大值与最小值之间的差距在缩小。其余各个区域的森林碳密度排序为：东湖高新区>江夏区>新洲区>东西湖区。此外，从各个区域的时间序列变化来看，无论是森林碳储量还是森林碳密度都呈现出显著的增长。

3.3 主要群落类型碳储量及其动态

3.3.1 不同群落碳储量及其动态 从群落类型来看(表6)，2008年武汉市环城林带森林碳储量排在前3位的群落类型分别是阔叶混交林(20 082.403 4 t)、樟树(16 670.578 0 t)和针阔混交林(8 550.328 9 t)，三者之和占森林总碳储量的比例为70.03%。森林碳储量排在最末三位的群落类型分别是竹类(6.214 9 t)、灌木(44.620 1 t)和针叶混交林(111.405 5 t)，三者之和仅占森林总碳储量的0.25%。相比之下，到2018年森林碳储量排在前三位的群落类型已转变为樟树(50 487.256 9 t)、阔叶混交林(29 060.583 4 t)和软阔(12 477.379 9 t)，且三者之和占森林总碳储量的比例已高达76.83%，其中樟树的碳储量比例更是达到了42.15%。从变化趋势来看，在环城林带所划分的15个群落类型中，仅樟树、水杉和苗圃3个群落类型的碳储量占比呈正向变化，其余类型除竹类的碳储量占比保持持平以外，11个群落类型均呈负向变化(图1)。可见，近10 a内环城林带森林碳储量正向少数几个群落类型聚集。

在碳密度方面，2008年森林碳储量排在前三位的群落类型分别是阔叶混交林(62.372 6 t/hm2)、针阔混交林(32.184 1 t/hm2)和柏树(27.307 9 t/hm2)，排名最末的是竹类(0.574 2 t/hm2)，仅为针阔混交林碳密度的0.92%。相比之下，到2018年森林碳储量排在前三位的群落类型已转变为阔叶混交林(69.919 4 t/hm2)、樟树(52.529 4 t/hm2)和针阔混交林(42.336 2 t/hm2)。碳密度最低的仍然是竹类(0.959 0 t/hm2)，仅为针阔混交林碳密度的1.37%。从变化趋势来看，各群落类型碳密度的变化趋势与上述碳储量比例的变化趋势相反。在15个群落类型中，仅针叶混交林的碳密度呈下降变化，其余14个群落类型的碳密度均在增加，其中涨幅最大的是樟树(31.958 2 t/hm2)。

表6 武汉市环城林带不同群落类型碳储量和碳密度

图1 武汉市环城林带不同群落碳储量和碳密度的变化

3.3.2 不同龄组林分碳储量及其动态 从不同龄组的情况来看(表7)，2008年武汉市环城林带森林碳储量主要分布于幼龄林(48 619.061 6 t)和中龄林(16 067.136 8 t)，两者之和占总碳储量的99.99%。近熟林和成熟林中存在的极少量的碳主要是由生长较快的竹类所固定，其碳储量比例极小。到2018年时，幼龄林仍然是环城林带中面积最大的龄组，估算结果显示森林碳储量最多龄组的依然是幼龄林。但是，近熟林和成熟林的碳储量已分别增长至4 702.556 9,18 100.947 5 t，其中成熟林的碳储量比重(15.11%)已经超过中龄林的比重(14.32%)。虽然幼龄林和中龄林的碳储量也呈现显著增长，但其比例则有所下降。

表7 武汉市环城林带不同龄组碳储量和碳密度

在碳密度方面，2008年碳密度最大的龄组为中龄林(31.954 3 t/hm2)，是近熟林和成熟林碳密度的55.65倍。相比之下，到2018年时各龄组碳密度的情况已发生巨大变化。碳密度最大的龄组已转变为近熟林(52.939 2 t/hm2)。而在2008年时碳密度最大的中龄林已成为碳密度相对最小的龄组(39.178 4 t/hm2)，其碳密度约为近熟林碳密度的74%。从变化趋势来看，不同龄组的碳密度均呈现显著增长，其中近熟林和成熟林的碳密度涨幅相对较大。

4 讨 论

研究测算结果显示，2008年和2018年武汉市环城林带森林碳储量分别为64 692.413 3,119 789.961 3 t，碳密度分别为27.389 7，47.243 4 t/hm2。这与李海奎等[19]基于全国第七次(2004—2008年)森林资源连续清查数据测算得出的湖北省全省森林碳密度结果(23.76 t/hm2)较为相近。与国内同纬度带的杭州(30.25 t/hm2)[20]、南京(38.69 t/hm2)的森林碳密度[21]，以及全国的平均森林碳密度(41.32 t/hm2)[22]相比，均处于同一数量级上，表明估算的结果具有一定的科学性。而各研究结果之间存在的偏差部分可能源于以下单个或多个原因的叠加。一是基础数据源的差异，包括估算所使用的数据在统计方式和调查时间节点上的差异；二是研究方法的差异，包括估算方法的差异，以及即便在同一方法下，模型和参数的选择也会存在的差异；三是统计内容的差异，即估算森林碳储量时是否包含林下层、枯落物、根系、土壤等要素。

近10 a间武汉市环城林带森林碳储量增幅明显，在碳收支循环过程中扮演“汇”的作用。其森林碳储量和森林碳密度的年均增幅可达6.35%，5.60%，远高于安徽省皖南山区4.76%，2.72%的增长率[23]，以及江苏、浙江、江西等省份的平均增长率[24]。这与不同地区森林的龄组分布情况有很大关系，由于环城林带中绝大部分为中、幼龄林，碳储量和碳密度的原始基数较小，因此目前所呈现出的高增长率包含有阶段性特征，这种情况并不一定能长期保持。另外，高增长率与环城林带所采取的集约经营模式也有直接关系。在环城林带的养护监管方面，武汉市林业主管部门组建了专门的管理机构，在资金投入、科技支撑、人力资源配备方面均有较强的保障，为环城林带的持续健康生长创造了客观条件。

从数据显示的结果看，经过10 a的生长发育，环城林带各区域间的森林碳储量差异在缩小。究其原因，各区域间在群落类型上的组成差异是10 a间森林碳储量比例发生变化的主要原因。如森林碳储量比例涨幅明显的蔡甸区和新洲区，其主要贡献是由于区域范围内存在相对较多的软阔类植被群落，此类树种(组)在水热条件适宜的情况下生长相对较快，对林分碳储量的增长贡献较大。另一方面，群落类型的组成差异也是造成碳储量与碳密度变化幅度不一致的重要原因。除此以外，人为外部干扰因素也造成了统计上的差异，即由于东湖高新区和江夏区的区划范围的变化，使得两者前后两期森林资源二调数据的统计范围也相应有所变动，致使其森林碳储量比例出现了相对剧烈的变化。

虽然武汉环城林带森林碳密度已经取得较大幅度的增长，但与世界平均碳密度(86 t/hm2)[18]相比还存在较大差距。根据目前环城林带森林碳储量的龄组分布来看，中、幼龄林的碳储量超过总碳储量的4/5。随着林分的逐渐生长以及未成林地、疏林地、无林地陆续转变为森林，环城林带的碳汇水平还将进一步提高。由此可推测，环城林带还处于快速生长发育的阶段，在理论层面还具备较大的固碳潜力。但是，目前碳储量向少数几个群落类型集中的趋势表明林分质量的稳定性面临一定风险，有必要及时开展森林质量精准提升措施，特别需要加强对中幼龄林的抚育，促进林木生长；另外，在阔叶纯林和阔叶混交林中可以适度补植含碳率更高的针叶树种。对于在剩余宜林荒地新开展的植树造林应该选取合适树种营造针阔混交林，这既能提高环城林带混交林的比重，又能进一步丰富物种多样性，提高林带稳定性。同时，还要继续协调好环城林带沿线的森林碳储量的空间分布，进而有效释放整个环城林带森林的固碳潜能。

5 结 论

经过最近10 a的自然生长和持续的人工管护培育，武汉市环城林带森林碳储量和森林碳密度增幅明显。到2018年时，森林碳储量和森林碳密度已分别为119 789.961 3 t和47.243 4 t/hm2，森林碳储量理论价值约为987.85万元。10 a后，环城林带森林碳储量最多的区段一直是江夏区，但各区段之间的差异在进一步缩小。森林碳密度最大的区段已由东西湖区转变为蔡甸区。碳储量存在向少数几个群落类型聚集的趋势，目前樟树的碳储量已在环城林带中占据绝对主体地位。近、成熟林的碳储量和碳密度增幅明显，但是幼龄林依然是环城林带碳储量的主体。综合来看，有必要及时开展森林精准抚育，促进林木生长，进一步释放环城林带的森林固碳潜能，提升环城林带的综合效益。